太阳能智能点位采集与处理技术在军民两用领域的应用研究

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 王 顺

为了满足应用需求，军用或民用定位跟踪设备的体积越来越小，这同时造成设备蓄电池的容量下降，因能量供给问题使得设备无法有效使用，并造成数据缺失、应用局限、数据安全隐患等问题。针对这些问题，上海太阳能工程技术研究中心有限公司（以下简称“太阳能工程中心”）开展了太阳能智能点位采集与处理技术研究，不仅使设备终端的电能在使用过程中通过高效太阳能电池源源不断地得到补充，而且有效解决了设备终端由于能源供给不足形成的各种问题。本文介绍了太阳能工程中心自主研发的太阳能智能点位采集与处理的核心技术，列举了由太阳能智能点位采集与处理技术转化形成的“点位魔盒”装备在军民两用领域的应用实例，并对其应用前景进行了展望。

一、传统军用定位跟踪器的应用及技术瓶颈

传统军用定位跟踪器的体积较大，例如，目前部队军用车辆定位系统主要由服务器软件平台、指挥员监控客户端和车载终端三部分组成。

指挥员监控客户端主要由笔记本电脑和监控客户端软件构成，能够完成对车辆的实时监控与各类历史数据查询，以及设置、接收和处理车辆报警等功能。车载终端部分主要包括安装在车辆上的车载终端及信息接收屏等附属设备。其主要用于接收信号、发送车辆位置信息、采集与转发故障数据，以及响应远程客户端的各种指令以实现对车辆的管理和控制。图1 为部队军用车辆定位系统。

图1 部队军用车辆定位系统

传统大型单位的军用定位跟踪器虽然基本可以实现大型单位目标运动轨迹的跟踪和简单的数据传输，但对于小型单位，如单兵可穿戴定位系统，由于能源供给等关键因素的制约，尚存在一定的应用瓶颈。其缺陷主要体现在以下几个方面。

（一）点位数据缺失

因为单兵定位跟踪器要求设备体积小，所以造成其供电能力有限，目前传统军用定位跟踪器考虑到对装备兼容性的影响，定位器的体积较小，电能无法提供长时间的供给且无法在使用过程中得到有效补充，所以追踪使用中存在缺失数据的现象，从而影响定位精度及数据处理的有效性。

（二）拓展应用局限

为了增加设备的续航时间，需要装备容量大的储能电池，传统军用装备通常采用通用化设计，如果定位跟踪设备体积较大，质量大，则只适合在军用车辆、舰艇等大型装备上使用。但是对于单兵装备，设备质量与续航时间很难同时兼顾，特别是野外作战及训练时对单兵装备质量敏感，且目前通用单兵装备的质量问题造成了士兵体力消耗，作战、训练时极为不便，所以在单兵可穿戴装备及在对质量敏感的场景上存在应用局限的情况。

（三）数据安全隐患

由于设备可搭载的元器件、负载有限，考虑到定位精度要求，目前准军用的定位装备（如警用、消防用、救援用定位器）的定位模式采用全球定位系统（GPS）位置定位，GPS 定位在常规生活应用中无数据泄露风险，但在军事应用、国土资源研究、安防应用方面，相关数据涉及国家安全和保密，应用GPS 等由国外运营商的定位系统，存在数据泄露的风险[1]。

二、太阳能智能点位采集与处理技术

在军民两用应用场景下，根据单兵所需的活动轨迹采集及监测需求，以及解决目前传统跟踪装备中存在的数据缺失、应用局限、数据安全等问题，太阳能工程中心基于我国自主建设的北斗卫星导航定位系统的定位与数据传输功能，深入开展了北斗定位+卫星通信微型集成技术、微型一体化能量自供给芯片电源技术、全球地图云平台监控与分析技术等研究，并开发了全球微型“点位魔盒”，实现了军民两用装备的微型轻量化、长续航时间、数据安全可靠的目标。其关键技术主要包括以下方面。

（一）北斗定位+卫星通信微型集成技术

针对目前传统通用追踪器采用GPS 进行位置定位且无法实时进行数据传输，并存在数据安全隐患的实际情况，太阳能工程中心研制了一款集成度更高的定位和通信模块，同时也可以更好地减小设备的体积并降低功耗，提升设备续航能力。该模块集成无铅芯片载体（Leadless Chip Carriers，LCC）封装、四频段全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）/ GPRS和先进全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）算法于一体，具有体积小、功耗低、快速定位的优势；依托北斗卫星的精准定位功能，可根据应用需求进行切换和关闭定位模式，定位更加精准；内置局部网络结构（Local Network Architecture，LNA）和低功耗算法，能更好地提升信号接收的灵敏度并降低功耗，同时具备实时传输数据的能力。图2 为集成式北斗定位+卫星通信原理示意图。

图2 集成式北斗定位+卫星通信原理示意图

（二）微型一体化能量自供给芯片电源技术

传统通用化追踪器的电源采用储能电池进行供电，电能无法进行补充，设备使用周期短，即使是目前较为先进的太阳能追踪器，使用了晶硅或非晶硅太阳能电池，由于材料特性所限，也无法进行高效稳定的电能补充，且目前此类设备的太阳能小组件质量大、在有局部遮挡和潮湿环境下无法正常工作，易造成设备失效，所以对供电系统的微型化、轻量化、高可靠性提出了更高要求。太阳能工程中心研制的一体化能量自供给芯片电源模块基于航天卫星电源系统的高效电能转换采集、存储、控制与可靠性设计理念，通过高效砷化镓太阳电池芯片、一体化柔性印制电路、高比能锂电池、自主管理芯片的一体化集成及优化，提升了一体化能量自供给芯片电源模块的可靠性和稳定性，且由于其微型化与轻量化，可实现在全球微型“点位魔盒”装备上进行应用。图3 为一体化能量自供给芯片。

反射面天线根据口径的数量和波束的合成形式可以分为单口径单馈源、单口径多馈源和多口径单馈源3种形式。单口径单馈源通过每一个喇叭照射反射面产生一个波束，虽然结构最为简单，但是存在波束交叠增益低、波束扫描变形、载干比（C/I）低等诸多问题；单口径多馈源通过多个喇叭的组合得到若干个等效多波束，在这过程中需要大量的移相组件和控制组件，实现难度大；多口径单馈源则是利用不同口径生成的波束间隔排列，这样同一口径生成的波束之间的距离增大，减少了能量的损失，提高了天线的增益，降低了副瓣电平[3]。

图3 一体化能量自供给芯片

（三）全球地图云平台监控与分析技术

随着监测个体数量的增加，个体、环境、位置等数据将会海量增长，所以需要在云端有效地组织、管理和共享这些多源、异构的数据。同时，很多对定位监测数据有需求的单位和机构，需要对全球范围内的数据进行跟踪、采集、分析，所以云端监控平台需要在全球地图上进行展示，但目前国内的地图供应商还不能很好地提供此项服务。

在数据平台建设方面，太阳能工程中心采用具备独立服务器的云端监控平台进行海量数据存储，使监控单位的位置和状态能直观地在全球地图上展现，还能提供数据下载功能，方便专业机构进行各种大数据的事后分析和储存。该系统不仅提供了独立的web客户端监控平台，方便专业机构对大量单体进行实时监控和监测，也提升了数据的安全性和保密性。图4为全球地图云平台监控与分析终端软件。

图4 全球地图云平台监控与分析终端软件

三、“点位魔盒”在军民两用领域的应用

点位采集与跟踪技术是一种应用环境传感器采集环境数据，通过GPS 或者北斗卫星定位技术获取位置信息，并通过应用无线电或者卫星数据传输以获取被监测样本的位置信息、运动轨迹及所处环境情况的新型技术。“点位魔盒”装备将此项技术进行了装备化应用，具备微型化、长续航、数据安全、可以进行全球应用的特点。

（一）军事应用

1.空降物资搜寻

对于身处不适合陆地运输和敌后区域的部队，如需进行快速补给，常常采用空投物资的方式，但受限于地域的特殊性，空投物资极易偏离预定地点或被敌方捕获[2]。全球微型“点位魔盒”可绑定补给物资，并采用空投的方式，为身处难以通过公路运输物资的部队、海岛边防部队、身处敌方占领地的特种部队进行物资和装备的快速补给。受地域和天气因素的影响，传统空投模式的物资有可能会偏离预定着陆区，延长搜寻时间，更有可能误入敌方区域，给搜寻工作带来危险。配备全球微型“点位魔盒”的空投物资，可持续向被补给部队发送物资位置信号及周围环境信号，能够缩短搜寻物资的时间，使部队更快、更安全地接受补给。图5 为全球微型“点位魔盒”在物资空投方面的应用示例。

图5 全球微型“点位魔盒”在物资空投方面的应用示例

2.边境智能监控

我国幅员辽阔，拥有长达2.28 万千米的陆地边境线和超过3.2 万千米的海岸线，以及大面积的沙漠荒地和无人值守区域，光靠边防巡逻无法满足大面积的国土监测和实时监控需求。高科技监视探测装备由于能源供给局限，无法全天候进行监控。微型“点位魔盒”布防仪将北斗卫星定位系统与太阳能无线红外探测器有机结合在一起，体积小，方便在空中进行广泛布设。该装备采用太阳电池与锂电池联合供电，借助通信中继站，能够将红外控测数据传输至数据中心，从而实现无人区域的全时段布防监控。图6 为微型“点位魔盒”布防仪的应用示例。

图6 微型“点位魔盒”布防仪的应用示例

3.士兵野外救援

如果飞机在作战过程中发生意外，飞行员跳伞后，可能会在荒漠、无人区甚至是敌方占领地着陆，由于飞行员迫降时随身携带维持生命的资源有限，无法长时间在野外生存，而如果飞行员携带军用太阳能跟踪定位器，就可向己方主动发出求救信号，如果受伤无法活动，也可由己方搜救人员被动定位，从而在最短时间内被救出。图7 为微型“点位魔盒”在作战救援方面的应用示例。

图7 微型“点位魔盒”在作战救援方面的应用示例

（二） 民用应用

1.生态研究

动物保护在生态保护和人类生存环境的可持续发展中具有深远的意义。以鸟类保护为例，鸟类是生态系统重要的指示生物，尤其是候鸟在春秋两季会在繁殖地域和越冬地域之间进行长距离迁徙，对候鸟进行追踪，研究其迁徙过程中的栖息地、迁徙路线，对候鸟保护、疾病传播及防治，尤其是候鸟生存的生态环境研究具有重要的意义。采用微型“点位魔盒”实时动态追踪鸟类，其能牢固地绑定在鸟身上，及时传回数据，对追踪数据的获取具有重要意义。图8 为微型“点位魔盒”在生态保护方面的应用示例。

图8 微型“点位魔盒”在生态保护方面的应用示例

2.智慧放牧

现有模式下的畜牧业养殖多采用粗放型的养殖方式，牲畜分散在广袤的牧场上，容易发生丢失或者牧民无法寻回放牧牲畜的情况[3]。应用北斗卫星定位技术和卫星数据传输技术的微型“点位魔盒”可以与放牧牲畜进行绑定，使牲畜的定位及追踪问题能够得以解决，牧民可以坐在家里用手机终端了解实时放牧情况，大大节约了时间，提高了效率。图9 为微型“点位魔盒”在智慧放牧方面的应用示例。

图9 微型“点位魔盒”在智慧放牧方面的应用示例

3.保护儿童安全

这种类型的微型“点位魔盒”可以采用具备装饰外形的太阳电池充电，锂电池可以做得很小，定位器也可以进行微型化处理并集成到各种伪装物品中，由太阳电池进行充电；一旦充电达到可发送定位信号的程度时便发射一个定位信号，甚至一天内只需发送几个点，但这几个点对于处于危险的儿童而言就是救命的信号，能使警察和父母更早找到他们。图10 为具备伪装功能的微型“点位魔盒”在儿童安全保护方面的应用示例。

图10 具备伪装功能的微型“点位魔盒”在儿童安全保护方面的应用示例

四、总 结

太阳能工程中心通过开展太阳能智能点位采集与处理技术的研究，并依托我国自主建设的北斗卫星导航定位系统，实现了全球微型“点位魔盒”的军民两用应用，解决了传统军用/民用定位跟踪设备因能量供给不足而造成的数据缺失、应用局限、数据安全隐患等瓶颈问题，同时，解决了因体积无法集成在可穿戴装备上应用的问题。此外，太阳能智能点位采集与处理技术未来还能够与5G 应用实现深度融合，依托大数据智能分析和处理技术，可在智慧城市建设、智能军用指挥系统及多种军民两用应用场景中进一步发挥重要作用。